碳鋼力學(xué)性能的影響因素分析

張 磊

(鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校，河南 鄭州 450000)

0 引言

碳鋼廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件加工制造中，具有成本低、強(qiáng)度大、易加工、綜合力學(xué)性能好以及容易熱處理等優(yōu)點(diǎn)。但是，碳鋼的強(qiáng)硬度和良好的塑韌性不能同時(shí)具備，這就需要通過先淬火后回火的熱處理方式加以改善。淬火會(huì)使鋼中的奧氏體轉(zhuǎn)變成硬度較高的馬氏體，但是馬氏體組織晶粒粗大，原子間間隙大，易出現(xiàn)“空穴”現(xiàn)象，從而使材料變得硬而脆，內(nèi)部殘留應(yīng)力。而回火熱處理工藝可以通過控制溫度和保溫時(shí)間更好地細(xì)化晶粒和提高材料的致密性，從而提高碳鋼的強(qiáng)韌性，消除材料內(nèi)部的應(yīng)力，防止開裂傾向。

1 分析碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)材料性能造成的影響

1.1 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)力學(xué)性能的影響

在一定溫度下，材料的成分決定了內(nèi)部組織的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，從而影響其工藝和使用性能。碳鋼中主要成分是Fe和C，二者結(jié)合形成的相組織是鐵素體和滲碳體。鐵素體呈塊狀和片狀，斷口一般為暗灰色的纖維狀且伴隨著大量的塑性變形，對(duì)光線的反射性較差，塑性和韌性好。隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷提高，滲碳體含量增加，斷口大都為結(jié)晶狀或放射狀，且顏色由淺灰趨向亮白。

(1) 硬度。硬度是一個(gè)與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)的性能指標(biāo)，其大小主要取決于組成相的硬度和相對(duì)數(shù)量。隨著碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硬度高的滲碳體增多，硬度低的鐵素體減少，碳鋼的硬度呈直線增高，硬度可以由完全為鐵素體組織的80HBS增大到滲碳體的800HBW。

(2) 強(qiáng)度。碳是鋼鐵的骨架，硬度高的材料，強(qiáng)度自然也比較高，同時(shí)材料的內(nèi)部組織越致密，材料的強(qiáng)度越高。當(dāng)碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約0.90%時(shí)，沿晶界形成的二次滲碳體趨于完整，強(qiáng)度開始迅速下降，當(dāng)碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))到2.11%時(shí)組織中滲碳體連片出現(xiàn)，形成抗壓不抗拉的鑄鐵，脆性增加，力學(xué)性能變差。

(3) 塑性。碳鋼的塑性由鐵素體提高，而滲碳體是極脆的化合物，沒有塑性。所以，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鐵素體減少時(shí)，碳鋼的塑性不斷降低，當(dāng)基體變?yōu)闈B碳體時(shí)，塑性就降低到接近于零。

(4) 韌性。碳鋼的沖擊韌性對(duì)組織及其形態(tài)最敏感。當(dāng)碳含量增加時(shí)，滲碳體增多，不利于材料的韌性下降，且下降趨勢(shì)比塑性更急劇。

1.2 碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)工藝性能的影響

(1) 鑄造性能。隨著碳含量的增加，鋼液的流動(dòng)性越好。鑄鐵因其液相線溫度比鋼低，其流動(dòng)性總是比鋼好。

(2) 鍛造性能。低碳鋼的可鍛性良好，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，可鍛性變差。在Fe-Fe3C相圖中，奧氏體(A)鍛造性能最好，其次是A+F兩相區(qū)，而有Fe3C存在的兩相區(qū)，鋼的塑性、韌性變差。

(3) 焊接性能。低碳鋼淬硬傾向小，焊接性最好。隨著含碳量增加，焊接性能逐漸變差，焊縫金屬和熱影響區(qū)容易出現(xiàn)裂紋。

2 熱加工過程中冷卻速度對(duì)碳鋼內(nèi)部組織的影響

碳鋼在由液態(tài)到固態(tài)的冷卻過程中，發(fā)生了共晶和共析兩次轉(zhuǎn)變。在共晶階段，由于雜質(zhì)元素S和P的存在，容易產(chǎn)生熱裂傾向，此時(shí)應(yīng)該注意等溫保溫，減少加工件和環(huán)境溫差，盡可能預(yù)防熱裂傾向。在共析階段，相組織由奧氏體向鐵素體和滲碳體轉(zhuǎn)變，如果冷卻速度加快，組織內(nèi)部原子來不及“歸位”，而且C的流動(dòng)速度小于Fe的流動(dòng)速度，導(dǎo)致C的偏析，大量的碳就與Fe充分結(jié)合生成脆性比較大的滲碳體，而且滲碳體和Fe錯(cuò)落交織，形成顆粒狀的機(jī)械混合物珠光體，導(dǎo)致組織晶粒粗大，材料的力學(xué)性能也會(huì)下降。

3 冷加工塑性變形對(duì)其力學(xué)性能的影響

任何材料都要經(jīng)歷從彈性變形到塑性變形的過程。冷加工塑性變形就是金屬材料在外力作用下，按零件設(shè)計(jì)要求而發(fā)生的永久變形。當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，材料就要產(chǎn)生完全塑性變形，金屬的內(nèi)部原子排列遭到破壞，原子排列的方式和緊密程度會(huì)影響到原子間的結(jié)合力，從而其力學(xué)性能也會(huì)受到影響。當(dāng)材料在加工過程中發(fā)生了反復(fù)的塑性變形，比如軋制、冷拔、擠壓和鍛造等，都會(huì)使金屬晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生改變。單晶體的塑性變形方式是在切應(yīng)力的作用下發(fā)生的滑移。而金屬是多晶體，其塑性變形主要表現(xiàn)為錯(cuò)位，或沿變形方向被拉長或壓扁。隨著冷加工塑性變形量的增加，金屬晶粒細(xì)化，其硬度和強(qiáng)度都會(huì)相應(yīng)地增加，而韌性、塑性也會(huì)降低，內(nèi)部會(huì)殘存應(yīng)力。因此經(jīng)過冷塑性變形的加工件要經(jīng)過回火處理，使得內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使金屬盡量接近變形前的力學(xué)性能。

4 結(jié)束語

碳鋼在金屬零件加工中應(yīng)用廣泛，而鋼的成分也是根據(jù)零件或工程構(gòu)件的使用性能選擇的。大多數(shù)零件和工程構(gòu)件主要選擇低碳鋼和中碳鋼，可以通過熱處理工藝進(jìn)一步提高鋼的使用性能和工藝性能。中低碳鋼的切削加工性較好，切削硬度控制在170HBW～230HBW。鍛造和軋制時(shí)應(yīng)注意控制溫度在奧氏體區(qū)域，溫度過高或過低都會(huì)使組織晶粒變得粗大，材料變得又硬又脆，力學(xué)性能下降。碳鋼也可以鑄造，但其熔點(diǎn)高，結(jié)晶溫度范圍大，所以鑄造性能差。碳鋼還可以通過正火、退火、淬火和回火的熱處理工藝來改善加工前后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)，但一定要考慮碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、合金元素、雜質(zhì)及冷卻和加熱速度對(duì)碳鋼工藝性能和使用性能的影響。